硫酸鹽侵蝕對混凝土強度的影響分析

程 潔

寧夏公路橋梁建設有限公司（750000）

我國不斷擴大混凝土工程的建設規(guī)模，因此也不斷提高了對于混凝土安全性能和使用性能的要求。 當前混凝土結構使用環(huán)境逐漸惡化，環(huán)境中的酸堿鹽會侵蝕混凝土，導致混凝土工程發(fā)生老化問題，需要引起業(yè)界注意。 硫酸鹽主要是借助地下水和空氣侵蝕混凝土，引發(fā)混凝土開裂等損傷。 混凝土發(fā)生損傷之后，其抗壓強度將會降低，從而導致其耐久性受到影響，因此需要預防硫酸鹽對于混凝土的侵蝕，有效提高混凝土的使用壽命。

1 研究背景

混凝土結構具有良好的安全性， 工程量小、施工便利、工期短，因此在當前很多工程中選擇使用混凝土材料。 但是在使用過程中，混凝土材料在各種化學腐蝕的影響下，強度降低、力學性能退化，從而造成較大的經(jīng)濟損失，導致人身財產(chǎn)安全受到嚴重影響。 化學腐蝕主要是硫酸鹽侵蝕，其影響混凝土材料的力學性能，因此需要分析各類因素對混凝土力學性能的影響。

近些年很多專家致力于研究硫酸鹽侵蝕對于混凝土強度的影響。 如研究混凝土在硫酸根離子作用下的損傷變化， 繪制出混凝土抗壓強度的曲線圖，并且總結其變化規(guī)律；研究干濕循環(huán)產(chǎn)生的強度損傷，明確周圍環(huán)境影響條件下混凝土構件性能改變的規(guī)律，為后續(xù)研究提供參考。 隨著硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，混凝土的抗壓強度將會降低。經(jīng)過15 次硫酸鹽干濕循環(huán)之后，混凝土的質(zhì)量會明顯增大；繼續(xù)增加干濕循環(huán)次數(shù)，混凝土的質(zhì)量變化就會比較小。在不同劣化作用下分析混凝土力學性能， 短期內(nèi)的硫酸鹽干濕循環(huán)試驗證明，對于水泥混凝土力學性能并不會產(chǎn)生較大的影響[1]。

當前國內(nèi)外學者較全面地研究了不同因素單獨作用下的混凝土強度特征，但是很少研究多種因素共同作用下的混凝土強度特征。 在今后工作中需要加大研究力度，明確混凝土力學性能在多種因素影響下的變化規(guī)律，為水泥混凝土工程設計工作起到參考作用。

2 混凝土硫酸鹽腐蝕的試驗研究

2.1 研究方向及試驗結果

試驗采用150 mm×150 mm 標準立方體試件。石灰石粉、粉煤灰等的摻量≤40%；石灰石粉比表面積＞300 m2/kg；水泥采用 P·O 42.5R，比表面積≥300 m2/kg；水膠比為0.35～0.50；試驗設備的直流脈沖電壓為 10～60 V、脈沖周期為 10～30 s。

在5 ℃下進行硫酸鹽侵蝕試驗。 溶液為陰極氫氧化鈉溶液、陽極硫酸鈉和7 水硫酸鎂溶液。 以低溫硫酸鹽侵蝕程度表征混凝土立方體抗壓強度，試驗結果如下:

1）C30-1 混凝土:水膠比為 0.42，砂率為 41%，P·O 42.5R 為 280；混凝土含粉煤灰 0 kg/m3、石灰?guī)r粉 40 kg/m3、硅粉 0 kg/m3、水 159 kg/m3、減水劑 8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 760 kg/m3、10～30 mm 碎石 164 kg/m3、10～20 mm 碎石 766 kg/m3、5～10 mm 碎石 164 kg/m3； 浸蝕后抗壓強度分別為 56 d～42.6 MPa、88 d～50.8 MPa、210 d～49.8 MPa。

2）C30-2 混凝土:水膠比為 0.42，砂率為 41%，P·O 42.5R 為 280；混凝土含粉煤灰 0 kg/m3、石灰?guī)r粉 120 kg/m3、硅粉 0 kg/m3、水 159 kg/m3、減水劑 8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 757 kg/m3、10～30 mm 碎石 163 kg/m3、10～20 mm 碎石 762 kg/m3、5～10 mm 碎石 163 kg/m3； 浸蝕后抗壓強度分別為 56 d～47.5 MPa、88 d～52.2 MPa、210 d～51.0 MPa。

3）C30-3 混凝土:水膠比為 0.42，砂率為 41%，P·O 42.5R 為 280；混凝土含粉煤灰 60 kg/m3、石灰?guī)r粉 60 kg/m3、硅粉 0 kg/m3、水 159 kg/m3、減水劑8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 764 kg/m3、10～30 mm 碎石165 kg/m3、10～20 mm 碎石 769 kg/m3、5～10 mm 碎石 165 kg/m3； 浸蝕后抗壓強度分別為 56 d～41.7 MPa、88 d～48.6 MPa、210 d～47.6 MPa。

4）C30-4 混凝土:水膠比 0.42，砂率 41%，P·O 42.5R 為280，混凝土含粉煤灰90 kg/m3、含石灰?guī)r粉 0 kg/m3、含硅粉 30 kg/m3、含水 159 kg/m3、含減水劑 8.8 kg/m3（2.2%）、水洗砂 749 kg/m3、10～30 mm碎 石 162 kg/m3、10 ～20 mm 碎 石 754 kg/m3、5 ～10 mm 碎石162 kg/m3， 浸蝕后抗壓強度分別為56 d～46.3 MPa、88 d～51.1 MPa、210 d～50.5 MPa。

2.2 影響因素

2.2.1 環(huán)境因素的影響

混凝土結構所處的環(huán)境比較復雜，不同因素對于混凝土硫酸鹽侵蝕產(chǎn)生較大的影響。 可以分析硫酸鹽濃度對于混凝土的影響，分析不同SO42-濃度下混凝土強度性能的演變。 通過5 ℃的低溫硫酸鹽侵蝕試驗可發(fā)現(xiàn)，在相同濃度的硫酸鹽浸泡下，以混凝土標號 C30-3 為例，測得 65 d、88 d、210 d 立方體抗壓強度分別為 41.7 MPa、48.6 MPa、46.1 MPa，前期強度逐漸增強，后期強度會衰減。 但是后期還需要通過大量的試驗進行跟蹤研究，并且還需要加強研究臨界溫度和低溫條件中硫酸鹽侵蝕的特征和機理[2]。也可以升高SO42-濃度，研究強度轉(zhuǎn)變的區(qū)間。 SO42-濃度直接關系到硫酸鹽侵蝕反應， 如果SO42-濃度在1 000 mg/L 以內(nèi)， 將會形成鈣礬石晶體；如果SO42-濃度在8 000 mg/L 以上，主要是產(chǎn)生石膏侵蝕。 不斷提高濃度之后，將會產(chǎn)生強烈的石膏侵蝕作用[3]。

溫度會直接影響到硫酸鹽的侵蝕速度，提升溫度之后將會進一步加劇硫酸鹽侵蝕。 但是溫度存在臨界值，臨界值以內(nèi)，溫度升高力學性能衰減；超過臨界值，硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物的溶解量增加，從而減緩混凝土力學性能的劣化速度。 在低溫狀態(tài)中，硫酸鹽侵蝕將會產(chǎn)生規(guī)律性變化， 如果溫度在6 ℃左右，混凝土中的C-S-H 可以轉(zhuǎn)化為碳硫硅鈣石；在不同溫度下，可以保障生成碳硫硅鈣的穩(wěn)定性，使混凝土喪失強度，最終潰散。

2.2.2 材料因素的影響

硫酸鹽侵蝕屬于濃度梯度驅(qū)動擴散現(xiàn)象，如果試件具有較低的滲透性，將會阻礙硫酸鹽入侵。 因此，低水灰比可以抵抗硫酸鹽侵蝕，混凝土具有較高的強度；逐漸增加水灰比之后，將會明顯縮短強度增長期。

通過試驗證明：在混凝土中合理摻加粉煤灰和石灰?guī)r粉、硅灰等活性材料，可以提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。 對不同配合比的摻合料進行立方體抗壓強度試驗，在環(huán)境和其他材料都相同的情況下，加入粉煤灰和石灰?guī)r粉的試件各齡期抗壓強度分別為 41.7 MPa、48.6 MPa、47.6 MPa，較其他摻合料試件都低。 但是需要進一步研究最佳摻量。

2.2.3 抗壓狀態(tài)的影響

當前主要采用單軸抗壓強度來描述硫酸鹽侵蝕程度， 但實際上混凝土結構處于三維受力狀態(tài)。在多軸狀態(tài)下:①將會改變混凝土力學性能，影響結構的耐久性；②水平組合各種荷載也會影響到混凝土性能。 因此，今后還需要研究硫酸鹽侵蝕混凝土多軸破壞準則[4]。

混凝土結構在實際工作中承擔著動態(tài)荷載，在荷載和硫酸鹽侵蝕的影響下，混凝土也承受著靜力荷載。 動態(tài)荷載下相對較少地涉及硫酸鹽侵蝕特征，后續(xù)還需研究動態(tài)荷載下影響硫酸鹽侵蝕混凝土的規(guī)律。

3 結語

硫酸鹽侵蝕會劣化混凝土性能，因此文章研究了硫酸鹽侵蝕對混凝土強度的影響，明確了混凝土強度影響因素。 應注意混凝土的使用區(qū)域，如在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，需提高混凝土的耐久性能，確保混凝土工程的質(zhì)量。 相關研究有助于擴大混凝土材料的應用領域，為建筑行業(yè)的發(fā)展奠定堅實的基礎。